Nano-Einblicke in die Stabilität von Knochen

Oberschenkelhalsknochen brechen nicht nur aufgrund mangelnder Knochendichte. Auch ihre Nanostruktur – die Orientierung der Kollagenfasern, aus denen Knochen bestehen – ist von Bedeutung. Das legen die Untersuchungen von Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI mithilfe eines neuen Röntgenverfahrens nahe.

Wenn sich Menschen durch einen Sturz die Hüfte brechen, dann sehr häufig am Oberschenkelhals. Oft geschieht das im Alter, wenn der Knochen an Dichte verloren hat. Meist bricht er dann von der Oberseite des Oberschenkelhalses her, wo er in aller Regel deutlich poröser ist als an der Unterseite.

Allerdings besteht dieser Zusammenhang nicht immer: Manchmal bricht ein Oberschenkelhals auch, obwohl er nicht porös ist. Forschende des PSI haben nun durch spezielle Röntgenanalysen mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI und Messungen am schwedischen Synchrotron MAX IV herausgefunden, woran das liegen könnte: an einer veränderten Nanostruktur des Knochens.

Ein neues Röntgenverfahren bietet detaillierte Einblicke

Das Team um Projektleiterin Marianne Liebi, Wissenschaftlerin am Zentrum für Photonenforschung des PSI, hat je zwei Knochenproben von 78 verschiedenen Oberschenkelhälsen mit einem neuen Bildgebungsverfahren untersucht. Dabei stammte jeweils eine Probe aus der Oberseite und eine aus der Unterseite desselben Oberschenkelhalses. Die Proben erhielt das Team von der Universität Bern, deren Fachleute im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts an der Auswertung beteiligt waren.

Das Verfahren nennt sich Small-angle X-ray scattering tensor tomography, kurz SAXS-TT, und es kombiniert die Analyse der sogenannten Kleinwinkel-Streusignale einer hochauflösenden Röntgenaufnahme mit einer 3D-Tomografie, also der Aufnahme aus verschiedenen Blickwinkeln. Diese Methode wurde über die letzten gut zehn Jahre am PSI entwickelt und für die Analyse unterschiedlicher Materialien erprobt, darunter Knochen.

Ordnung der Kollagenfasern wird sichtbar

Die Analyse der Proben der 78 verschiedenen Oberschenkelhalsknochen zeigte, dass neben der geringeren Knochendichte an der Oberseite des Oberschenkelhalses ein weiterer Faktor auffällt: Die Kollagenfasern, aus denen Knochen bestehen und die tausendmal feiner sind als Haare, verlaufen dort anders als an der Unterseite. Während sie unten schön parallel liegen, sodass sie die einwirkenden Kräfte am Oberschenkelhals gut abfedern können, erscheinen sie oben ungeordneter, verlaufen schräger oder sogar über Kreuz. Das macht sie weniger flexibel.

„Dazu kommt“, sagt Studienerstautor Torne Tänzer, der als Doktorand in Liebis Forschungsgruppe arbeitet, „dass die Mineralplättchen dort weniger regelmäßig geordnet und anders geformt sind.“ Die Mineralplättchen eines Knochens sind winzige Lamellen aus Kalzium-Phosphat, die zwischen den Kollagenfasern liegen und diese stabilisieren.

Die Anordnung von Fasern und Plättchen, so die Vermutung, könnte einen Einfluss auf die Stabilität von Knochen haben. „Diese These“, so Tänzer, „wollen wir nun in weiteren Studien untersuchen, indem wir mechanische Belastungstests mit verschieden strukturierten Oberschenkelhalsknochen durchführen.“ Dann werde sich zeigen, ob eine unregelmäßige Struktur tatsächlich die Gefahr für Knochenbrüche erhöht. „Womöglich können wir dann auch sagen, inwiefern solche Änderungen der Nanostruktur ebenfalls mit dem Alter zusammenhängen.“

Die Forschenden hoffen, dass ihre Arbeit zu einem tieferen Verständnis der Struktur von Knochen allgemein und deren Analyse beiträgt. Darüber hinaus könnte sie die grundlegende Forschung zur Knochenmechanik weiterbringen: „Methoden, um biologische Materialien auf der Nanoskala sowohl strukturell als auch mechanisch zu untersuchen, werden ständig weiterentwickelt“, sagt Liebi. „Wir zeigen, was diese Entwicklungen heute bereits leisten und in welche Richtung sie in Zukunft gehen können.“

Schnellere Aufnahmen dank SLS-Upgrade

Bei künftigen Studien wird den Forschenden das kürzlich erfolgte Upgrade der SLS zugutekommen. Dabei wurde ihr kompletter Elektronenspeicherring mit mehr als tausend neuen, hochpräzisen Magneten ersetzt und so Intensität und Brillanz der Röntgenlichtquelle noch mal um ein Vielfaches gesteigert. Das ermöglicht deutlich detailliertere Aufnahmen als bisher und reduziert die Messzeit erheblich.

„Wir konnten nur die Proben von zwei der 78 Oberschenkelhalsknochenvollständig in 3D aufnehmen, weil das mit der bisherigen Technologie einfach sehr lang dauerte und ungeheuer aufwendig war“, berichtet Torne Tänzer. Die 3D-Tomografie benötigte pro Aufnahme einen ganzen Tag, während die 2D-Dünnschnitt-Messungen, die während der Umbauphase der SLS am schwedischen Synchrotron MAX IV erfolgten, lediglich zwanzig Minuten beanspruchten. Mit den wenigen 3D-Beispielen konnten die Forschenden Rückschlüsse auf die anderen, nur zweidimensional betrachteten Proben ziehen und so die 2D-Daten besser interpretieren. „Mit der erneuerten SLS werden wir nun viel mehr Proben in 3D analysieren können. Das wird den Erkenntnisgewinn noch deutlich steigern.“

Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI), Text: Jan Berndorff

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Originalpublikation:
Tänzer T et al. Combination of 3D and 2D small and wide angle X-ray scattering imaging reveals diminished bone quality in the superior human femoral neck cortex. Adv Mater 09.07.2026. DOI: 10.1002/adma.73848